【摘要】：中國作為農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量巨大,將其沼氣利用被認為是環(huán)境經(jīng)濟最可行的方式之一。然而,現(xiàn)有秸稈沼氣發(fā)酵工藝存在易結(jié)殼、運行不暢等問題,嚴重限制能源化轉(zhuǎn)化效率。本研究基于現(xiàn)有秸稈沼氣發(fā)酵工藝,優(yōu)化設(shè)計床式發(fā)酵試驗裝置;假定稻秸發(fā)酵床為多孔介質(zhì),分析回流沼液在厭氧消化床內(nèi)稻秸間傳質(zhì)過程。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合傳質(zhì)過程理論分析,開展不同梯度發(fā)酵濃度和回流率的批次試驗,探究沼液回流對稻秸物質(zhì)降解和產(chǎn)氣性能的影響。最后,根據(jù)試驗結(jié)果分析了優(yōu)化裝置和工藝的運行能耗及凈能產(chǎn)出,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)改進設(shè)計了床式秸稈沼氣發(fā)酵反應(yīng)器,處理富含疏松多孔的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)。設(shè)置網(wǎng)框?qū)⒌窘展潭ㄗ鳛榘l(fā)酵床,通過水力循環(huán)攪拌,實現(xiàn)床內(nèi)的有效傳質(zhì)。以此為對象,理論分析該反應(yīng)器的傳質(zhì)過程,并研究回流過程對厭氧消化性能的影響。(2)假定稻秸發(fā)酵床為多孔介質(zhì),構(gòu)建理論分析物理模型,利用流速-壓降測定裝置,進行了粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)的測試,結(jié)果表明,稻秸發(fā)酵床的堆積密度越大,其內(nèi)部液體的有效遷移和物質(zhì)傳遞就越難。稻秸密度為0.12g/cm~3的粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)分別為31060.99、113.36,較0.075g/cm~3增加了76.40%和56.53%,呈現(xiàn)粘性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)急速增加。試驗結(jié)果與標準Ergun模型方程計算結(jié)果相差較大,對結(jié)果數(shù)學擬合后得到方程系數(shù)a=787.32,b=0.21,可有效指導(dǎo)沼液回流過程試驗方案設(shè)計。(3)以稻秸為發(fā)酵原料,以30 L優(yōu)化設(shè)計的床式發(fā)酵試驗裝置進行試驗,設(shè)計發(fā)酵周期為50 d,發(fā)酵床的發(fā)酵TS濃度分別為10%、12%、14%、16%,進行中溫試驗�；亓髀蕿�50%(回流率為15 L/d),發(fā)酵過程穩(wěn)定,產(chǎn)氣平均甲烷含量超過50%。發(fā)酵床表層與內(nèi)部稻秸的纖維素與半纖維素降解率最高為TS=12%,分別為58.57%、62.23%和49.29%、46.73%,而原料產(chǎn)氣量最高為TS=10%,為200.03 mL CH_4/g VS,表明回流率對不同負荷發(fā)酵床物質(zhì)遷移影響明顯,50%回流率條件下,TS為10%的發(fā)酵濃度產(chǎn)氣最優(yōu)。(4)設(shè)計不同回流率發(fā)酵試驗,探究回流對稻秸厭氧消化性能的影響。發(fā)酵床的發(fā)酵TS濃度為11%,整個過程穩(wěn)定,發(fā)酵液總VFA均低于500mg/L,pH在6.90~7.23間,回流率為100%及150%,發(fā)酵床內(nèi)稻秸的木質(zhì)纖維素降解量較為相近,但回流率為100%的原料產(chǎn)氣率較高,為119.88 mL CH_4/g VS。提升發(fā)酵內(nèi)稻秸的發(fā)酵濃度至TS=13%,平均甲烷含量超過50%,回流率為150%時,發(fā)酵床表層與內(nèi)部稻秸的纖維素與半纖維素降解量最高為56.01%、36.31%和74.51%、63.68%,此時,原料產(chǎn)氣率也最佳,為130.82 mL CH_4/g VS。因此,以處理稻秸為目的,可根據(jù)工程設(shè)計的發(fā)酵濃度,采用合適的回流率,促進高發(fā)酵濃度下發(fā)酵床稻秸的物質(zhì)降解和產(chǎn)氣性能提升。(5)綜上試驗結(jié)果,以處理秸稈為目的,發(fā)酵容積為500m~3的秸稈沼氣工程為例,發(fā)酵濃度是13%,發(fā)酵周期設(shè)定以50 d,分析計算工程運行得能耗及凈能產(chǎn)出。計算結(jié)果表明回流率分別為50%、100%、150%和200%條件下,稻秸凈能產(chǎn)出分別為4747.82 MJ/t、4405.27 MJ/t、5026.23MJ/t、2990.43 MJ/t,可見150%回流率凈能輸出最高。
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S216.4
【圖文】：

1.2 稻秸處置方式比較目前稻秸的主要利用方式主要以能源化，肥料化，飼料化為主，其中全國稻秸肥料化占比37.9%，能源化占比約 19.0%，飼料化占比約 13.8%，值得關(guān)注的是焚燒處置占比約 27.4%，對全國農(nóng)業(yè)區(qū)稻秸處置方式分布，見圖 1-1 所示，可發(fā)現(xiàn)南方區(qū)稻秸閑置焚燒比例最高(張國2017)。稻秸的飼料化利用近年來發(fā)展受到限制，農(nóng)戶飼料化發(fā)展草食畜產(chǎn)品養(yǎng)殖的動力不強，大的稻秸產(chǎn)量難以被有效的消化(曹志宏等., 2018)。因此稻秸能源化處理，可作為化石燃料的要替代品之一，成為緩解能源危機的處理方式。稻秸的能源化轉(zhuǎn)化主要有沼氣、乙醇、氫氣和物柴油幾種途徑(Liu et al., 2018)。相較與其他幾種利用方式，近年來沼氣利用方式增長速度相較快(Liu et al., 2018)。這是因為利用秸稈生產(chǎn)沼氣可以比其他技術(shù)以更具成本效益，是替代化燃料是一種有效的方式，盡管受到許多因素的影響，但生物天然氣的最終使用能效相對較高，將全國 30% 閑置水稻秸稈用來發(fā)酵產(chǎn)沼氣，年產(chǎn)沼氣約 22.93×109m3，相當于 16.29Mt 標準(Wang et al., 2018a)。因此稻秸沼氣發(fā)酵較其他轉(zhuǎn)化方式經(jīng)濟效益明顯，可無害化處理稻秸，提稻秸的能量利用率，減少稻秸焚燒造成的環(huán)境污染現(xiàn)象，同時其副產(chǎn)物可作為有機肥進行回收因而被廣大科研工作者重視。

中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 引言稻秸被厭氧消化產(chǎn)沼氣的過程中，必須將纖維素和半纖維素分解成它們相應(yīng)的單體糖，以便微生物可以通過生物途徑轉(zhuǎn)化利用，如圖 1-2（b）所示。在分子水平上，纖維素是葡萄糖通過 β-1,4糖苷鍵線性聚合，產(chǎn)生纖維素鏈，并通過氫鍵和范德瓦爾斯力進一步連接以形成微纖維、無定形纖維素，這種結(jié)構(gòu)更易于消化，但其中結(jié)晶纖維素難以被水解(Yang et al., 2015a)。半纖維素通常是無定形單糖（木糖，阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖和鼠李糖）和糖醛酸（葡糖醛酸，甲基葡糖醛酸和半乳糖醛酸）的異源多糖，半纖維素本身由于其無定形性質(zhì)而易于消化，然而它作為粘結(jié)劑連接纖維素與半纖維素成分增加了植物細胞壁的難降解性質(zhì)(Rajput et al., 2018)。木質(zhì)素是芳香族的復(fù)雜聚合物，例如松柏醇和芥子醇，因此使植物細胞壁具有較強的硬度且難以被水解(Yang et al.2015a)。纖維素，半纖維素和木質(zhì)素之間的交聯(lián)導(dǎo)致剛性三維基質(zhì)，這是液體滲透和酶進入的屏障，因此阻礙了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的消化(Liu et al., 2019)。

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本文編號：2728862